超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在發(fā)電領域的應用

葉俠豐，潘衛(wèi)國，尤 運，王文歡

(1.上海電力學院能源與機械工程學院，上海 200090；2.上海發(fā)電環(huán)保工程技術研究中心，上海 200090)

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在發(fā)電領域的應用

葉俠豐，潘衛(wèi)國，尤 運，王文歡

(1.上海電力學院能源與機械工程學院，上海 200090；2.上海發(fā)電環(huán)保工程技術研究中心，上海 200090)

對超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在發(fā)電領域的研究，是實現(xiàn)能源的清潔高效利用和節(jié)能減排的重要途徑。介紹了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的基本原理及特點，并且綜述了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在火電、核電等發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)展和研究現(xiàn)狀。最后給出了我國在未來關于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電技術研究重點的幾點看法。

超臨界二氧化碳；布雷頓循環(huán)；高效率；發(fā)電系統(tǒng)

對不可再生能源高效、清潔利用的研究，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑。而能源的高效轉化利用主要是通過熱力學循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)的，因此對熱力學循環(huán)系統(tǒng)的研究一直是最重要的研究課題之一[1]。

布雷頓循環(huán)作為一種典型的熱力學循環(huán)之一，是由美國科學家布雷頓首次提出的以氣體為工質的熱力學循環(huán)。簡單的布雷頓循環(huán)氣體工質先后經(jīng)過等熵壓縮、等壓吸熱、等熵膨脹以及等壓冷卻四個過程實現(xiàn)能量的高效轉化。和傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)相比，布雷頓循環(huán)具有更高的循環(huán)效率，并且當工質處于超臨界狀態(tài)時，由于避免了工質相態(tài)的改變，減少了壓縮功的消耗，它的循環(huán)效率能得到很大的提升。由于布雷頓循環(huán)的循環(huán)效率高，被廣泛應用于能量轉化領域里，如燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)，飛機、輪船的動力系統(tǒng)，空間的動力裝置等，同時布雷頓循環(huán)系統(tǒng)也是最重要的制冷循環(huán)之一。因此，深入開展布雷頓循環(huán)在能量轉化領域中的研究具有十分重要的意義[2]。

1 SCO2布雷頓循環(huán)概述

超臨界二氧化碳(SCO2)布雷頓循環(huán)是以SCO2作為循環(huán)工質，CO2具有相對穩(wěn)定的化學性質、良好的物理性能、可靠的安全性，價格低廉以及易于獲取等優(yōu)點，并且CO2的臨界溫度和臨界壓力相對較低，易達到超臨界狀態(tài)。當CO2將處于超臨界狀態(tài)，介于液體和氣體之間，兼具氣體黏度低和流體密度高的特殊物理特性，使其具有流動性好、比體積小、可壓縮性小、傳熱效率高等優(yōu)點，所以SCO2是應用最廣泛的超臨界流體之一[3]。對于SCO2布雷頓循環(huán)，基于SCO2的各種優(yōu)點，SCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)具有占地空間小、發(fā)電效率高、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，因此火電、核電等發(fā)電系統(tǒng)等都嘗試采用SCO2布雷頓循環(huán)作為新的動力循環(huán)系統(tǒng)。

1.1 基本原理

基于SCO2布雷頓循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)主要包括熱源、氣輪機、發(fā)電機、壓縮機、冷卻器、回熱器等。圖1給出了簡單SCO2布雷頓循環(huán)的過程[4]，低溫低壓的SCO2工質經(jīng)過壓縮機升壓后，然后通過回熱器和氣輪機排出的乏氣進行換熱，預熱到一定溫度后，隨后被熱源(工業(yè)余熱、核反應堆、化石燃料及太陽能等)被進一步加熱，再進入渦輪機膨脹做功帶動發(fā)電機發(fā)電；做完功乏氣由氣缸排出，進入回熱器與壓縮機排出的低溫高壓工質換熱，達到預冷的目的，冷卻后的工質進入冷卻器進一步冷卻，最后進入壓縮機壓縮完成了整個循環(huán)。

SCO2布雷頓循環(huán)中工質的壓力和體積的變化情況如圖2所示。圖2中，各點工質的狀態(tài)與圖1各點一一對應。在實際應用中，回熱器中高、低溫側的工質由于換熱溫差大，造成較大的換熱損失，會導致循環(huán)效率降低，因此回熱器分離成了高溫回熱器和低溫回熱器以提高換熱效率。此外，再壓縮SCO2布雷頓循環(huán)還增加了再壓縮等熱力過程，降低了低溫回熱器的端部溫差及冷卻器帶走的熱量，從而提高了系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟效益。

圖2 布雷頓循環(huán)P-V圖

1.2 SCO2布雷頓循環(huán)的特點

1.2.1 SCO2的特點

當CO2的溫度和壓力分別達到其臨界溫度31.1℃和臨界壓力7.38 MPa時，CO2將處于超臨界狀態(tài)，介于液體和氣體之間，兼具有氣體粘性小和液體密度大的特殊物理特性，使其具有流動性好、傳熱效率高、可壓縮性小等典型優(yōu)勢，相比其他同類型熱力循環(huán)的工質具有以下特點：①CO2臨界點適中，易達到，相比于水及He等循環(huán)工質，對熱源溫度要求更低，能得到較高的效率；②SCO2是一種理想的閉環(huán)發(fā)電機組的工作介質，工質特性與熱力循環(huán)匹配良好；③SCO2黏性小、密度大、流動能力強、傳熱效率高、做功能力強；④SCO2循環(huán)無相變，壓縮過程中消耗壓縮功較小，并且SCO2的高密度使得壓縮機、渦輪機等關鍵部件的結構設計更加緊湊，固定投資低；⑤SCO2循環(huán)技術繼承性好，可基于現(xiàn)有的材料實現(xiàn)，避免開發(fā)耐高溫的鎳基合金材料。

1.2.2 SCO2布雷頓循環(huán)布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的特點

她好像受到我笑的鼓勵，放松了一些。但她的聲音仍舊有些猶豫：“我想……也許……我們可以一起走走，一塊吃點東西……”我終于鎮(zhèn)定下來，找到了自己的聲帶?！爱斎弧梢浴Ｎ曳浅s幸，那邊的街上有許多不錯的餐館?！?/p>

由于SCO2的特殊優(yōu)勢，采用SCO2布雷頓循環(huán)作為發(fā)電系統(tǒng)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，還具有以下優(yōu)點。

(1)系統(tǒng)具有更高的循環(huán)效率。3 種介質在不同溫度條件下的循環(huán)效率如圖3所示。圖3中，分別以水蒸氣、He和CO2作為工質的循環(huán)熱效率[5]。在高于400℃時，SCO2具有明顯的優(yōu)勢。在溫度達550℃時，超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)熱能轉化為輸出電能的效率一般可達45%。隨著溫度的升高，效率也顯著提高。SCO2不需要很高的循環(huán)溫度即可達到滿意的轉換效率，而He循環(huán)要想獲得40%的循環(huán)效率，循環(huán)溫度必須在750℃以上，這對部件材料的性能提出了很大的挑戰(zhàn)。

圖3 3 種介質在不同溫度條件下的循環(huán)效率

(2)對管道設備腐蝕速率更低。由于SCO2具有穩(wěn)定的化學性質，相比于高溫高壓的水蒸氣，對金屬管道設備侵蝕的速率較慢，因此對材料的要求相對較低。

(3)無水處理。由于不存在水處理系統(tǒng)，節(jié)約了大量的水資源和水處理劑等，減少了初始投資。

(4)系統(tǒng)結構緊湊，占地空間小。由于SCO2黏性小和密度大的物理特性，使其具有流動性好、傳熱效率高、可壓縮性小等典型優(yōu)勢，因此壓縮機、渦輪機等關鍵部件體積較小、結構緊湊。

(5)降低電力成本。相比水蒸氣熱力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，SCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的建設成本以及運行、維護成本更低，并且壽命更長，經(jīng)濟效益更好，可降低平準化電力成本8%～15%。

(6)將CO2資源化。CO2是一種溫室氣體，該循環(huán)提供了一種將CO2資源化的有效方法。

2 SCO2布雷頓循環(huán)在發(fā)電領域的國內外研究應用

由于SCO2布雷頓循環(huán)自身的特點，使其在火電、核電等發(fā)電系統(tǒng)等具有很好的應用前景。目前，有關SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的研究主要集中在熱力循環(huán)過程、循環(huán)效率的分析和優(yōu)化等理論研究，關鍵部件的選材、設計等方面及實驗室內建設大型的模擬機組并進行測試試驗，尚未有正式發(fā)電運行的規(guī)?；瘷C組，所以關于SCO2布雷頓循環(huán)在火電、核電等發(fā)電領域中的研究應用一直在進行著。

我國對SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電技術的研究較晚，目前對該領域的研究并不多。在熱力循環(huán)過程、循環(huán)效率的分析和優(yōu)化等理論研究方面，段承杰、王捷等人建立了SCO2布雷頓再壓縮循環(huán)模型，模擬了各參數(shù)對循環(huán)效率的影響，研究了各參數(shù)間的變化關系及對循環(huán)參數(shù)進行了優(yōu)化分析，并且與目前核能轉化系統(tǒng)中研究最廣泛的He布雷頓循環(huán)進行比較發(fā)現(xiàn)，SCO2布雷頓再壓縮循環(huán)是一種更為理想的熱力循環(huán)系統(tǒng)，在較低溫度(700℃)條件下，布雷頓循環(huán)的效率也能達到He(1 000℃)布雷頓循環(huán)的效率水平，同時還可以減小壓縮機、渦輪機等關鍵部件體積并且對材料的要求更低[6-7]。張堯立等人通過數(shù)值模擬的方法，建立了 SCO2閉式再壓縮布雷頓循環(huán)的模型。發(fā)現(xiàn)回熱器的換熱能力對系統(tǒng)熱效率影響顯著，當回熱器的換熱效率超過一定數(shù)值后，增大壓力不再能提高系統(tǒng)的熱效率，此外渦輪機的排氣溫度對系統(tǒng)熱效率的影響比熱源溫度更加明顯，并且當回熱器的換熱效率達到一定數(shù)值后，渦輪機的排氣溫度存在一個最佳值[8]。中國原子能科學研究院基于SCO2布雷頓循環(huán)的機理，結合我國鈉冷快堆的特點和需求，研究發(fā)現(xiàn)SCO2布雷頓循環(huán)在中溫范圍(600℃左右)內，循環(huán)效率能夠達到45%，因此得出了應用于鈉冷快堆的SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)極具工程應用前景的結論[9]。梁墩煌等人就SCO2作為第四代核反應堆的循環(huán)工質進行了理論分析和建模計算，結果表明，在400～750℃范圍內，相比于水蒸氣朗肯循環(huán)和He布雷頓循環(huán)，SCO2具有更高的循環(huán)效率，并且SCO2工質應用于液鈉冷快堆、鉛冷快堆和氣冷快堆時具有更高的熱效率和鈾資源利用率[10]。廖吉香等人對比分析了5種SCO2熱力循環(huán)，發(fā)現(xiàn)再壓縮循環(huán)結構簡單且效率更高，并對該循環(huán)進行了進一步的熱力計算，分析了循環(huán)參數(shù)的影響規(guī)律，得到了最高循環(huán)效率下的最佳運行參數(shù)[11]。張一帆等對含分流再壓縮和再加熱的SCO2布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)，利用計算機編程深入分析了壓縮機進出口壓力、分流系數(shù)、透平進口溫度等對循環(huán)效率的影響，結果表明，壓縮機進出口壓力、分流系數(shù)、透平進口溫度之間存在最優(yōu)的耦合關系，使得該系統(tǒng)的循環(huán)效率最高[12]。

在關鍵部件的選材、設計等方面，趙新寶、魯金濤等人綜述分析了SCO2布雷頓循環(huán)在火電、第四代核電及太陽能發(fā)電的研究，對比評估了幾種電廠常用鋼材在SCO2環(huán)境下的力學特征與腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)在 650℃以上，鎳基合金的持久強度比鐵素體鋼及奧氏體鋼具有更明顯的優(yōu)勢，此外，還重點介紹了幾種常見的摻雜氣體(水蒸氣、SO2、空氣)對SCO2環(huán)境下合金腐蝕行為的影響規(guī)律及機理[13-14]。

國外對SCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術的研究相對較多，美國麻省理工學院的研究人員針對核電系統(tǒng)的設計方案，提出了基于 SCO2雷頓循環(huán)的冷卻快堆的總體方案，并進行了熱力計算，反應堆額定熱功率為2 400 MW，渦輪機入口溫度和壓力分別為920 K和20 MPa，系統(tǒng)熱效率為51%，凈效率為47%[15]。美國Sandia國家實驗室建成了以SCO2為工質的布雷頓循環(huán)，功率為125 kW，渦輪機轉速為7 500 r/min的機組，并系統(tǒng)計算了各組成部件的能量損耗。該實驗室還研發(fā)出一種基于SCO2布雷頓循環(huán)的燃渦輪機，可將發(fā)電效率提高到50%以上，同時，等功率下比傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)設備體積縮小1/30左右，并掌握了大量SCO2對透平部件、管路、軸承、密封件以及其他各種各樣的組件性能和技術的影響規(guī)律[16]。Iverson等人在實驗室內搭建了基于 SCO2雷頓循環(huán)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，功率為780 kW，并進行了深入的實驗研究。結果表明該系統(tǒng)具有更高的發(fā)電效率，在透平入口溫度超過600℃時，發(fā)電效率可達50%[17]。美國Echogen公司將SCO2布雷頓循環(huán)應用于余熱發(fā)電，研發(fā)出了世界上第一個兆瓦級的SCO2發(fā)電機組EPS100，它采用的是雙軸帶回熱的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，該機組已經(jīng)進入測試運行階段，機組運行的測試數(shù)據(jù)證實了兆瓦級SCO2發(fā)電機組的可行性，結果表明用SCO2循環(huán)替代傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)，可以降低安裝成本以及運行、維護成本，從而使電力成本降低10%～20%，并且使機組擁有更大的輸出功率[18]。美國能源部能源效率及可再生能源辦公室下屬的國家實驗室于2012年提出以EPS100系統(tǒng)為基礎的SunShot試驗計劃，開發(fā)10 MW了基于SCO2布雷頓循環(huán)的渦輪機[19]。

日本東京工業(yè)大學[20]提出了循環(huán)效率更高的SCO2雷頓循環(huán)模型，增加了兩級預冷和兩級壓縮，以提高循環(huán)過程的熱效率。為了減少CO2及污染物的排放以及提高發(fā)電效率，日本東芝[21]進行了新型 SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的250 MW的發(fā)電站研究，如圖4所示。以化石燃料、O2、CO2為混合流體的燃燒介質，其中煙氣中占據(jù)95%的CO2來膨脹做功，在進入燃燒室前SCO2的壓力可達到30 MPa，經(jīng)過燃燒室加熱后SCO2的溫度高達1 150℃，這種系統(tǒng)具有組合利用燃氣和蒸汽的燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電同等水平的效率，同時無需另外設置分離及捕集設備就可回收高壓CO2。這對于我國實現(xiàn)燃煤的清潔高效利用具有重要的借鑒意義。

圖4 日本新型 SCO2循環(huán)系統(tǒng)圖

3 結語

由于SCO2布雷頓循環(huán)自身的特點，使其具有較高的循環(huán)效率、緊湊的熱力系統(tǒng)設備、較低的經(jīng)濟投入等優(yōu)點，在火電、核電等發(fā)電領域都具有很好的應用前景。因此，大力發(fā)展SCO2布雷頓循環(huán)在發(fā)電領域的研究，是實現(xiàn)能源的清潔利用和節(jié)能前排的重要途徑。由于我國對SCO2布雷頓循環(huán)的研究還處于起步階段，建議未來的工作重點放在以下幾個方面。

(1)目前的熱力循環(huán)研究將SCO2考慮為理想工質，與實際不符。所以，需要開展SCO2流體熱力性能的基礎研究，如密度、熱容、粘度、導熱系數(shù)等熱物理特性試驗測試和研究。

(2)目前國內對設備材料在SCO2環(huán)境的力學特征及腐蝕行為研究較少，需要加強實驗機理研究，發(fā)現(xiàn)更安全、經(jīng)濟的材料，尋找合適的防結垢、防腐蝕技術。

(3)目前對SCO2的熱力循環(huán)系統(tǒng)，包括動力、換熱特性的認識還不夠深入，需要進一步研究得到壓縮機、換熱器、渦輪機等關鍵部件設計技術基礎，獲得部件性能特性，為系統(tǒng)設計提供支持。

(4)由于我國燃煤的產(chǎn)能嚴重過剩，重點開展SCO2布雷頓循環(huán)在IGCC、工業(yè)余熱等的研究不僅可以實現(xiàn)燃煤的清潔高效利用，還可以將CO2資源化，實現(xiàn)CO2減排。

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(本文編輯：趙艷粉)

Application of Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle in Power Generation Fields

YE Xiafeng，PAN Weiguo，YOU Yun，WANG Wenhuan

(1. School of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；2. Shanghai Power Environmental Protection Engineering Technology Research Center，Shanghai 200090，China)

The application research of supercritical carbon dioxide Brayton cycle in power generation fields is an important way to achieving the goal of using energy cleanly, efficiently and energy saving and emission reduction. This paper briefly introduces the fundamentals and features of supercritical carbon dioxide Brayton cycle, and summarizes the research and application status of supercritical carbon dioxide Brayton cycle in power generation system, such as thermal power, nuclear power and so on. Finally, it proposes some ideas about research focus of supercritical carbon dioxide Brayton cycle.

supercritical carbon dioxide; Brayton cycle; high efficiency; power generation system

s：The National Natural Science Foundation of China (21546014)；Shanghai Municipal Natural Science Foundation(14 ZR1417800)

10.11973/dlyny201703028

國家自然科學基金(21546014)；上海市自然科學基金(14ZR1417800)

葉俠豐(1990—)，男，碩士研究生，從事電站節(jié)能技術研究。

TK11

A

2095-1256(2017)03-0343-05

2017-03-03